JP2020511750A - Optimized cooling of Neutrode stacks for plasma guns - Google Patents

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Abstract

カスケード型プラズマガン用の熱的に最適化されたニュートロードスタックの設計および実施方法が提供される。ニュートロードスタックは、スタックのピーク温度を最小化するとともに水への熱損失を低減する。冷却を最適化することにより、熱損失が大きくなる弊害を伴うことなく、長いスタックの使用が可能になる。A method of designing and implementing a thermally optimized neutrode stack for a cascaded plasma gun is provided. The Newtrode stack minimizes peak stack temperatures and reduces heat loss to water. Optimizing the cooling allows the use of longer stacks without the negative consequences of increased heat loss.

Description

本発明は具体的には、カスケード型プラズマガンに関するものであり、とりわけカスケード型プラズマガンでの利用に最適化されたニュートロードに係るものである。   The present invention specifically relates to cascaded plasma guns, and more particularly to a neutrode optimized for use in a cascaded plasma gun.

カスケード型プラズマガンは、電圧を大きくプラズマアークを安定化させることが可能になるので、安定したガン出力が得られるという利点がある。このプラズマガンの欠点は、プラズマアークが比較的長いニュートロードスタック内を進むことで生じる排熱によって熱損失が大きくなり、ニュートロードスタックの実効長が制限されることにある。長いスタックを使用することにより熱損失が大きくなり、高電圧および安定したアークという利点が相殺される。必要とされるのは、ニュートロードスタックに熱損傷を与えることなく熱損失を抑え、冷却を最適化する構造である。   The cascade type plasma gun has an advantage that a stable gun output can be obtained because it is possible to stabilize the plasma arc by increasing the voltage. The disadvantage of this plasma gun is that the heat loss is increased by the exhaust heat generated by the plasma arc traveling in the relatively long neutrode stack, and the effective length of the neutrode stack is limited. The use of longer stacks results in higher heat losses, offsetting the advantages of high voltage and stable arc. What is needed is a structure that minimizes heat loss and optimizes cooling without damaging the neutrode stack.

現行のニュートロードスタックは、プラズマボア（孔部）にできるだけ近接させて同心円状に配置した複数のドリル孔を利用し、ニュートロード、絶縁体または密封用Ｏリングに損傷を与えるであろう熱を取り除いている。プラズマボア内でのプラズマ温度は２０，０００Ｋを超えることがあり、部品損傷を防ぐためには、スタックの冷却は必要不可欠である。   Current neutrode stacks utilize multiple concentric drill holes located as close as possible to the plasma bore to dissipate heat that would damage the neutrode, insulator or sealing O-ring. I'm removing it. The plasma temperature in the plasma bore can exceed 20,000 K and cooling of the stack is essential to prevent component damage.

従来のプラズマガンのノズルの冷却設計、すなわち冷却水流路または水冷孔は、通常、プラズマガンのボアに対してできるだけ近接させて配置してボア材料の温度を可能な限り低くして損傷を防いでいる。この設計は、有効な冷却方法としてニュートロードの設計にも使われていた。   Conventional plasma gun nozzle cooling designs, i.e. cooling water passages or holes, are usually placed as close as possible to the plasma gun bore to keep the temperature of the bore material as low as possible to prevent damage. There is. This design was also used in the Newtrode design as an effective cooling method.

熱的に最適化されたプラズマガンノズルに関する近年の発明、例えば特許文献１（国際出願ＰＣＴ/ＵＳ２０１３/０７６６０３号）によれば、流路をプラズマガンのボアから離して銅材料で熱を移動させ、平均温度を上昇させるがピーク温度を低下させることによりノズル冷却を変更できることが分かった。また、冷却水流路の断面を小さくすることで冷却水の速度を上げ、プラズマノズルのボアに沿った平均温度を上昇させるものの、プラズマガンのノズルに妥当な温度を維持するのに十分な効果的冷却を実現できる。   According to a recent invention relating to a thermally optimized plasma gun nozzle, for example, according to Patent Document 1 (International Application PCT / US2013 / 076603), heat is transferred by a copper material by separating a flow path from a bore of a plasma gun, It was found that the nozzle cooling can be changed by increasing the average temperature but decreasing the peak temperature. In addition, although the cooling water velocity is increased by reducing the cross section of the cooling water flow path to raise the average temperature along the bore of the plasma nozzle, it is effective enough to maintain a reasonable temperature in the plasma gun nozzle. Can achieve cooling.

国際公開第２０１４／１２０３５７号International Publication No. 2014/120357

本発明の具体例は、ニュートロードスタックの冷却を最適化し、スタックの最高温度またはピーク温度を下げ、同時に冷却水への熱損失を低減させるための構造及び方法に関するものである。
カスケード型プラズマガンの熱的に最適化されたニュートロードスタックの設計および実施方法が提供され、これにより、冷却水への熱損失が低減され、同時にスタックのピーク温度が最小化される。冷却を最適化することにより、熱損失を大きくすること無く、より長いニュートロードスタックの使用が可能になる。 Embodiments of the present invention relate to structures and methods for optimizing cooling of a neutrode stack, lowering the maximum or peak temperature of the stack, while reducing heat loss to the cooling water.
A method for designing and implementing a thermally optimized neutrode stack for a cascaded plasma gun is provided, which reduces heat loss to the cooling water and at the same time minimizes peak stack temperature. Optimizing the cooling allows the use of longer neutrode stacks without increasing heat loss.

この点に関しては、冷却水流路をプラズマガンのボアから離す技術、すなわちニュートロードの銅材料によって熱を移動させ、平均温度を上昇させるがピーク温度を低下させる技術をカスケード型プラズマガンのニュートロードスタックに応用することで、ガンに悪影響を与えることなく冷却特性が改善されることを本発明者らは見出した。   In this regard, the technique of separating the cooling water flow path from the bore of the plasma gun, that is, the technique of transferring heat by the copper material of Neutrode to raise the average temperature but lower the peak temperature is referred to as the cascade type plasma gun Neutrode stack. The present inventors have found that the cooling characteristics are improved without adversely affecting the gun.

本発明の具体例は、外周面および内孔を有する円板状本体、およびその外周面内または外周面上に形成された複数の冷却流路を備えるプラズマガンのニュートロードを対象とする。   Embodiments of the present invention are directed to a plasma gun neutrode including a disk-shaped body having an outer peripheral surface and an inner hole, and a plurality of cooling channels formed in or on the outer peripheral surface.

具体例によれば、複数の冷却流路は正方形にできる。他の具体例によれば、複数の冷却流路は、その幅が深さの８倍よりも大きい平坦状形状を有することができる。また、具体例においては、複数の冷却流路は、外周面から下方に延びる深さと、深さに対して垂直な底辺によって画定される。複数の冷却流路の底辺対深さの比は、１：１から８：１までの範囲である。   According to a specific example, the plurality of cooling channels can be square. According to another embodiment, the plurality of cooling channels may have a flat shape whose width is greater than eight times the depth. Further, in a specific example, the plurality of cooling flow paths are defined by a depth extending downward from the outer peripheral surface and a base perpendicular to the depth. The bottom-to-depth ratio of the plurality of cooling channels is in the range of 1: 1 to 8: 1.

具体例によれば、複数の冷却流路を流れる水の平均流速が８．０ｍ/秒未満、かつ１．０ｍ/秒超、２．０ｍ/秒超および３．０ｍ/秒超のうちのいずれかになるように複数の冷却流路が構成される。   According to the specific example, the average flow velocity of the water flowing through the plurality of cooling flow paths is less than 8.0 m / sec, and is higher than 1.0 m / sec, higher than 2.0 m / sec and higher than 3.0 m / sec. A plurality of cooling flow paths are configured so as to be different.

本発明の具体例は、上記のニュートロードを複数有するニュートロードスタックを備えるプラズマガンをも対象とする。   Embodiments of the present invention are also directed to a plasma gun including a neutrode stack having a plurality of neutrodes described above.

具体例によれば、ニュートロードスタックにおける隣接するニュートロード同士は、互いに電気的に絶縁される。プラズマガンは、隣接するニュートロード同士の間に配置された絶縁層をさらに備えてもよい。具体例においては、プラズマガンは、隣接するニュートロード同士の間に配置される遮水体としてのシール層をさらに備えることができる。他の具体例においては、プラズマガンは、隣接するニュートロード同士の間に形成された気体間隙をさらに備えることができる。他の具体例によれば、複数のニュートロードの各々が同数の冷却流路を有し、この冷却流路が軸線方向に並ぶように複数のニュートロードを配置することができる。また、隣接するニュートロード同士の間に周方向冷却流路を形成することができる。   According to a specific example, adjacent neutrodes in the neutrode stack are electrically isolated from each other. The plasma gun may further comprise an insulating layer disposed between adjacent Neutrodes. In a specific example, the plasma gun may further include a seal layer as a water shield disposed between the adjacent neutrodes. In another embodiment, the plasma gun may further comprise a gas gap formed between adjacent Neutrodes. According to another specific example, each of the plurality of neutrodes has the same number of cooling passages, and the plurality of neutrodes can be arranged such that the cooling passages are arranged in the axial direction. Moreover, a circumferential cooling flow path can be formed between adjacent Neutrods.

本発明の具体例によれば、複数のニュートロードが、物理的に離間しながら、物理的な力で互いに締め付けられていてもよい。   According to embodiments of the present invention, the plurality of neutrodes may be physically separated and clamped together by physical force.

本発明の具体例は、内孔を有する円板形状の本体の外周面内または外周面上に複数の冷却水流路を形成するステップを備える、プラズマガンのニュートロードの形成方法をも対象とする。   Embodiments of the present invention are also directed to a method of forming a neutrode of a plasma gun, which includes the step of forming a plurality of cooling water flow paths in or on the outer peripheral surface of a disk-shaped main body having an inner hole. .

具体例によれば、複数の水冷流路を流れる水の平均流速が、８．０ｍ/秒未満、かつ１．０ｍ/秒超、２．０ｍ/秒超および３．０ｍ/秒超のうちのいずれかになるように複数の水冷流路が構成される。他の具体例においては、この方法は、内孔を有する少なくとも１つの他の円板形状の本体の外周面内または外周面上に複数の水冷流路を形成するステップと、円板状本体と少なくとも１つの他の円板形状の本体とを、内孔に沿って同軸上に並べるステップとをさらに備えることができる。具体例においては、この方法は、円板形状の本体と少なくとも１つの他の円板形状の本体のうちで隣接するものとを電気的に絶縁するステップをさらに備えることができる。他の具体例においては、円板形状の本体と少なくとも１つの他の円板形状の本体のうちで隣接するものとを、少なくとも絶縁層、気体間隙、またはシール部材によって分離することができる。具体例においては、円板形状の本体と少なくとも１つの他の円板形状の本体のそれぞれは、同数の水冷流路を有してもよく、さらにこの方法は、円板形状の本体と少なくとも１つの他の円板形状の本体を同軸上に並べ、円板形状の本体と少なくとも１つの他の円板形状の本体の水冷流路を軸線方向に並べるステップを備えることができる。他の具体例においては、この方法は、同軸上に並べられた円板形状の本体と少なくとも１つの他の円板形状の本体とを一緒に締め付け、プラズマガンのニュートロードスタックを形成するステップをさらに備えることができる。   According to a specific example, the average flow velocity of water flowing through the plurality of water-cooled flow paths is less than 8.0 m / sec and more than 1.0 m / sec, more than 2.0 m / sec and more than 3.0 m / sec. A plurality of water-cooled flow paths are configured to be either one. In another embodiment, the method comprises the step of forming a plurality of water cooling channels in or on the outer peripheral surface of at least one other disc-shaped body having an inner bore; And coaxially arranging at least one other disc-shaped body along the inner hole. In an embodiment, the method may further comprise electrically insulating the disc-shaped body and an adjacent one of the at least one other disc-shaped body. In another embodiment, the disc-shaped body and the adjacent at least one other disc-shaped body can be separated by at least an insulating layer, a gas gap, or a sealing member. In a specific example, each of the disk-shaped body and at least one other disk-shaped body may have the same number of water cooling channels, and the method further comprises at least one disk-shaped body and at least one water-cooled channel. The method may further comprise the step of coaxially arranging two other disc-shaped bodies and axially arranging the disc-shaped bodies and the water cooling channels of the at least one other disc-shaped body. In another embodiment, the method comprises the step of clamping together a coaxially-arranged disk-shaped body and at least one other disk-shaped body to form a plasma gun neutrode stack. Further provisions can be made.

本発明のさらに他の具体例によれば、上記のニュートロードを複数有するカスケード型プラズマガンを形成する方法は、複数のニュートロードを並べてニュートロードスタックを形成し、ニュートロードスタックにおける隣接するニュートロード同士を電気的に絶縁するステップと、ニュートロードスタックを、ニュートロードスタックの軸線方向にクランプ力によりカスケード型プラズマガンに配置するステップとを備える。   According to yet another embodiment of the present invention, a method of forming a cascaded plasma gun having a plurality of neutrodes as described above comprises arranging a plurality of neutrodes to form a neutrode stack, and adjoining neutrodes in the neutrode stack. The method includes the steps of electrically insulating the two from each other, and placing the neutrode stack in the cascade type plasma gun by a clamping force in the axial direction of the neutrode stack.

本発明のその他の好適な具体例及び利点は、本開示及び添付の図面を参照することで明らかになろう。 以下の発明を実施するための形態では、本発明な具体例の非限定的な例を添付の図面を参照して説明する。図面における同様の参照番号は同様の構成要素を表す。   Other preferred embodiments and advantages of the present invention will become apparent with reference to the present disclosure and the accompanying drawings. In the following modes for carrying out the invention, non-limiting examples of specific examples of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. Like reference numbers in the drawings refer to like elements.

公知のカスケード型プラズマガン用の従来のニュートロード。A conventional newtrode for a known cascade plasma gun. 本発明の具体例による最適化されたニュートロード。An optimized newtrode according to an embodiment of the invention. 本発明の具体例による最適化されたニュートロード。An optimized newtrode according to an embodiment of the invention. 本発明の具体例による最適化されたニュートロード。An optimized newtrode according to an embodiment of the invention. 本発明の具体例による最適化されたニュートロード。An optimized newtrode according to an embodiment of the invention. 本発明の具体例による最適化されたニュートロード。An optimized newtrode according to an embodiment of the invention. 図２に示す最適化されたニュートロードを複数含む、ニュートロードスタックの一具体例の断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of one embodiment of a neutrode stack including a plurality of optimized neutrodes shown in FIG. 2. 図３の具体例による最適化されたニュートロードスタックの外周面。FIG. 4 is an outer peripheral surface of an optimized neutrode stack according to the embodiment of FIG. 本発明の他の具体例による最適化されたニュートロード。An optimized newtrode according to another embodiment of the invention.

以下に記載する詳細は、本発明の具体例を例示および説明するためのものであり、本発明の原理や概念の説明として、最も有用で分かり易いものとなるようにした。さらに言えば、本発明の基本的理解に必要な以上に本発明の構造を詳しく示してはおらず、添付の図面とともに本明細書により、本発明の複数の形態が実際にどのように具現化されるかが当業者には明らかである。   The details described below are for the purpose of illustrating and explaining specific examples of the present invention, and are intended to be the most useful and easy-to-understand explanations of the principles and concepts of the present invention. Moreover, the structure of the invention is not shown in more detail than is necessary for a basic understanding of the invention, and the present specification together with the accompanying drawings illustrate how various aspects of the invention may be embodied in practice. It will be clear to those skilled in the art.

冷却の最適化をさらに強化するため、ニュートロードスタックのハウジングは、ニュートロードの冷却流路と同様に配置された、返流水用の冷却流路をも備えることができる。   To further enhance the cooling optimization, the housing of the Neutrode stack can also comprise cooling channels for return water, arranged in the same manner as the cooling channels of the Neutrode.

図１は、既存のカスケード型プラズマガンの従来のニュートロード１０を示す断面図である。図から明らかなように、このニュートロードにおける冷却は、中央プラズマボア１４の周囲にボア１４に近接する形で配置された２４個の孔１２によってもたらされている。   FIG. 1 is a sectional view showing a conventional neutrode 10 of an existing cascade type plasma gun. As is apparent from the figure, the cooling in this neutrode is provided by 24 holes 12 arranged around the central plasma bore 14 in close proximity to the bore 14.

従来のニュートロード１０とは対照的に、図２Ａ〜図２Ｅは、本発明の具体例によるニュートロード２０の複数の図を示す。これらの図においては、１２個の軸線方向の冷却流路２２が、ニュートロード２０の本体から凹み、中央プラズマボア２４を囲むニュートロード２０の外周面２６の方向に開放されている。これに関して、これらの軸線方向に貫通する凹部が外側に延びて、外周面２６の一部をそれぞれ含む複数の突出部２１を画定しており、これにより外周面２６が円周方向に途切れる形となっている。ニュートロード２０の第１の側、すなわち図２Ａの斜視図に示す右側、及び図２Ｃの平面図に示す側においては、隆起部２３が、突出部２１の右側面より下方に位置する陥凹面２５から軸線方向に延在している。ニュートロード２０の第２の側、すなわち図２Ｂの斜視図に示す左側、及び図２Ｄの平面図に示す側においては、隆起部２７が面２９から軸線方向に延在している。面２９は、突出部２１の左側面と同一平面上にあってもよい。図２Ｅはニュートロード２０の側面図であり、隆起部２３、２７がそれぞれ突出部２１の右側面、左側面を超えて軸線方向に延びている様子を示している。また、図２Ａ〜図２Ｅに示す非限定的な具体例においては、冷却流路２２の側壁が互いに平行であることが好ましいという点を除き、ニュートロードの形状が概ね歯車状である。また、図２Ｃ及び図２Ｄの平面図においては、冷却流路２２の形状は略正方形であり、凹部の幅が凹部の深さとほぼ等しくなっている。なお、凹部の幅は、凹部の深さの範囲に渡って一定であることが好ましい。   In contrast to conventional neutrode 10, FIGS. 2A-2E show multiple views of neutrode 20 according to embodiments of the present invention. In these figures, twelve axial cooling channels 22 are recessed from the body of the neutrode 20 and open towards the outer peripheral surface 26 of the neutrode 20 surrounding the central plasma bore 24. In this regard, these axially penetrating recesses extend outward to define a plurality of protrusions 21, each of which includes a portion of the outer peripheral surface 26, whereby the outer peripheral surface 26 is circumferentially interrupted. Has become. On the first side of the neutrode 20, that is, on the right side in the perspective view of FIG. 2A and on the side in the plan view of FIG. 2C, the raised portion 23 has a recessed surface 25 located below the right side surface of the protrusion 21. Extends axially from. On the second side of the neutrode 20, the left side in the perspective view of FIG. 2B and the side in the plan view of FIG. 2D, the ridge 27 extends axially from the surface 29. The surface 29 may be flush with the left side surface of the protrusion 21. FIG. 2E is a side view of the neutrode 20, showing that the raised portions 23 and 27 extend in the axial direction beyond the right side surface and the left side surface of the protruding portion 21, respectively. Also, in the non-limiting examples shown in FIGS. 2A-2E, the shape of the neutrode is generally gear-shaped, except that the sidewalls of the cooling channels 22 are preferably parallel to each other. Further, in the plan views of FIGS. 2C and 2D, the shape of the cooling flow path 22 is substantially square, and the width of the recess is substantially equal to the depth of the recess. The width of the recess is preferably constant over the depth range of the recess.

非限定的な例として説明するが、図２Ｃ及び図２Ｄの平面図で見た場合、突出部２１の間に画定される流路２２、換言すればニュートロードの本体から凹み外周面２６の方向に開いた流路２２は、流路２２の面積を定める深さと幅を有している。非限定的な例においては、各流路２２は、底辺幅０．１２５インチ（３．１７５ｍｍ）×深さ０．０９７インチ（２．４６４ｍｍ）の寸法を有することができ、この場合、全面積が０．１４７６平方インチ（９５．２２ｍｍ2）となる。例えば毎分２２リットルの水流量で稼働させた場合、流路を流れる水の平均流速は３．８ｍ/秒となる。また、当然ながら、形成される冷却流路の寸法や形状は、目的とする冷却効果を達成するために具体例によって変更され、流路を流れる水の平均流速は８．０ｍ/秒未満となる。しかし、上記のとおり、これらの流路の数値は例示のためのものであり、突出部２１の間に形成される冷却流路２２、換言すればニュートロード２０の外周面２６より下方に凹部を形成するように配置され、外周面２６の方向に開いた冷却流路２２の数と大きさは、ガンに損傷を与えるレベルの温度を回避するために必要な水の流量によって変わる。更なる例として説明すると、流路２２は、流路２２の深さが流路２２の幅と実質的に等しくなるような略正方形の形状に形成できる。流路２２の幅は一定であることが好ましい。また、略正方形の流路においては、流路の底辺となる幅と外周面から下方に延びる深さの比が約１：１であるが、冷却流路の幅対深さの比は、１：１から８：１までの範囲で変化してもよい。 As a non-limiting example, when viewed in plan view in FIGS. 2C and 2D, the flow path 22 defined between the protrusions 21, in other words, the direction from the body of the Neutrode to the recessed outer peripheral surface 26. The open channel 22 has a depth and a width that define the area of the channel 22. In a non-limiting example, each channel 22 can have a base width of 0.125 inches (3.175 mm) x depth of 0.097 inches (2.464 mm), where the total area is Is 0.1476 square inches (95.22 mm 2 ). For example, when operated at a water flow rate of 22 liters per minute, the average flow velocity of water flowing through the flow path is 3.8 m / sec. Further, of course, the size and shape of the formed cooling channel are changed according to the specific example in order to achieve the desired cooling effect, and the average flow velocity of the water flowing through the channel becomes less than 8.0 m / sec. . However, as described above, the numerical values of these flow paths are for the purpose of illustration, and the cooling flow path 22 formed between the projecting portions 21, in other words, the concave portion below the outer peripheral surface 26 of the neutrode 20 is formed. The number and size of the cooling channels 22 arranged to form and open toward the outer peripheral surface 26 will depend on the flow rate of water required to avoid a damaging level of temperature. As a further example, the flow channel 22 can be formed in a substantially square shape such that the depth of the flow channel 22 is substantially equal to the width of the flow channel 22. The width of the channel 22 is preferably constant. In addition, in a substantially square channel, the ratio of the width at the bottom of the channel to the depth extending downward from the outer peripheral surface is about 1: 1, but the width to depth ratio of the cooling channel is 1 It may vary from: 1 to 8: 1.

図３は、ニュートロードハウジング３８内の好適なニュートロードスタック３０の断面図である。ニュートロードスタック３０は、図２に示す複数の最適化されたニュートロード２０を含み、ニュートロード２０は、同軸に積み重ねられている。図４は、図３の別の図であり、積み重ねられたニュートロード２０の外周面を含め、ニュートロードスタックハウジング３８の断面図内にある構成要素の外周面２６を示している。図に示す具体例においては、ニュートロードスタック３０の左側から見た場合、図２のニュートロード２０を例えば第２、第３及び第４の位置に配置することができる。しかし、個々のニュートロード２０は互いに分離された状態、例えば電気的に絶縁され、物理的に離された状態にあり、隣接するニュートロード２０がニュートロードスタック３０において互いに接触しないようになっている。また、ニュートロードハウジング３８は例えばプラスチックで形成することができ、同様に、ニュートロードスタック３０の隣接するニュートロード２０間の絶縁を維持する。   FIG. 3 is a cross-sectional view of a preferred Neutrode stack 30 within Neutrode housing 38. The neutrode stack 30 includes a plurality of optimized neutrodes 20 shown in FIG. 2, the neutrodes 20 being coaxially stacked. FIG. 4 is another view of FIG. 3 showing the outer peripheral surface 26 of the components within the cross sectional view of the Neutrode stack housing 38, including the outer peripheral surfaces of the stacked Neutrode 20. In the illustrated example, the neutrode 20 of FIG. 2 may be located in, for example, the second, third, and fourth positions when viewed from the left side of the neutrode stack 30. However, the individual neutrodes 20 are isolated from each other, eg, electrically isolated and physically separated, so that adjacent neutrodes 20 do not contact each other in the neutrode stack 30. . Also, the neutrode housing 38 can be formed of, for example, plastic and likewise maintains insulation between adjacent neutrodes 20 of the neutrode stack 30.

図３に示すとおり、複数のニュートロード２０が中央プラズマボア２４に沿って同軸上に並べられることにより、ニュートロードスタック３０が形成される。有利なかつ非限定的な一具体例においては、図４に示すとおり、ニュートロードスタック３０の各ニュートロード２０は同数の冷却流路を有し、冷却流路２２が軸線方向に並ぶようにニュートロード２０を配置できる。ニュートロード２０は、ニュートロードスタック３０において互いに分離されているため、隣接するニュートロード２０の間にセパレーターとして絶縁体３６を配置できる。絶縁体３６は、例えば窒化ホウ素であり、隆起部２３より内周側に配置させ、かつニュートロードスタック３０の中央プラズマボア３４に向かって内周方向に延在させることができる。具体例によっては、ニュートロードスタック３０の中央プラズマボア３４内において、個々のニュートロード２０の中央プラズマボア２４と絶縁体３６との間の段差を滑らかにすることができる。差し込み図３００において具体的に示されるように、絶縁体３６は適度に厚く、第１ニュートロード２０の隆起部２３および隣接ニュートロード２０の隆起部２７の互いに対向する面の間に、約０．０３０インチ（０．７６ｍｍ）の空気間隙、または気体間隙３２２を形成するようになっている。また、隆起部２３より外周側では、Ｏリングのようなシール材３２０を、隣接するニュートロード２０同士の対向する面の間に配置し、空気間隙または気体間隙３２２を保護することができる。シール材３２０を構成する材料は、例えば、シリコン、ＶＩＴＯＮ（登録商標）のような合成ゴム、ＢＵＮＡ−Ｎのようなニトリルゴム、またはニュートロードスタック３０の領域内での温度に耐え得る他の水封材料である。シール材３２０の配置によって、冷却水が冷却流路から内周方向に向かって空気間隙または気体間隙３２２に侵入することを防止できる。   As shown in FIG. 3, a plurality of neutrodes 20 are coaxially aligned along the central plasma bore 24 to form a neutrode stack 30. In one advantageous and non-limiting example, as shown in FIG. 4, each neutrode 20 of neutrode stack 30 has the same number of cooling passages and cooling passages 22 are axially aligned. 20 can be arranged. Since the neutrodes 20 are separated from each other in the neutrode stack 30, the insulator 36 can be arranged as a separator between the adjacent neutrodes 20. The insulator 36 is, for example, boron nitride, can be arranged on the inner peripheral side of the raised portion 23, and can extend in the inner peripheral direction toward the central plasma bore 34 of the neutrode stack 30. In some embodiments, within the central plasma bore 34 of the neutrode stack 30, the step between the central plasma bore 24 of each individual neutrode 20 and the insulator 36 may be smoothed. As illustrated in the inset 300, the insulator 36 is reasonably thick, between the ridges 23 of the first neutrode 20 and the ridges 27 of the adjacent neutrode 20 between opposing surfaces of about 0. An air gap or a gas gap 322 of 030 inches (0.76 mm) is formed. Further, on the outer peripheral side of the raised portion 23, a sealing material 320 such as an O-ring can be arranged between the surfaces of the adjacent neutrodes 20 facing each other to protect the air gap or the gas gap 322. The material forming the sealing material 320 is, for example, silicon, synthetic rubber such as VITON (registered trademark), nitrile rubber such as BUNA-N, or other water capable of withstanding the temperature in the region of the Neutrode stack 30. It is a sealing material. By disposing the sealant 320, it is possible to prevent the cooling water from entering the air gap or the gas gap 322 from the cooling flow passage in the inner circumferential direction.

図示の具体例においては、冷却水孔３５を有する大径ディスク３１と冷却流路３７を有するエンドピース３３との間に、ニュートロードスタック３０を配置できる。冷却流路３７は、ブラインド流路、すなわち一方の端部が閉じられている流路であってもよい。有利かつ非限定的な具体例においては、ディスク３１が冷却水孔３５を複数有しており、その数は、各ニュートロード２０の冷却流路２２の数およびエンドピース３３の冷却流路３７の数に一致する。冷却水孔３５、冷却流路２２及び冷却流路３７は、図４に示すように、軸線方向に揃えて配置できる。また、複数のニュートロード２０の外周面２６を含む径方向に延在する部分は、軸線方向において互いに離間しているため、複数の周方向冷却流路３２がニュートロードスタック３０に形成される。また、ディスク３１の大径部分によって、例えば螺子、ボルト、クランプによりディスク３１をハウジング３８に固定できるだけでなく、ディスク３１、積み重ねられたニュートロード２０、及びエンドピース３３をまとめて付勢することもできる。隣接するニュートロード同士の対向面に対してシール材３２０を適切に密着させて、望ましい水封構造を得るのは十分な付勢であることが有利である。当然ながら具体例よっては、ニュートロードスタック３０が有する図２の最適化されたニュートロードの数は、上記よりも多くても少なくてもよい。また、ニュートロードスタックハウジング３８も、その外周部内またはその外周部上に同様の冷却流路を有することができる。   In the illustrated embodiment, the neutrode stack 30 can be arranged between the large-diameter disk 31 having the cooling water hole 35 and the end piece 33 having the cooling passage 37. The cooling flow path 37 may be a blind flow path, that is, a flow path whose one end is closed. In an advantageous and non-limiting example, the disk 31 has a plurality of cooling water holes 35, the number of which is equal to the number of cooling channels 22 of each neutrode 20 and of the cooling channels 37 of the end piece 33. Match the number. The cooling water hole 35, the cooling flow path 22, and the cooling flow path 37 can be aligned in the axial direction, as shown in FIG. Further, since the radially extending portions including the outer peripheral surfaces 26 of the plurality of neutrodes 20 are separated from each other in the axial direction, the plurality of circumferential cooling flow passages 32 are formed in the neutrode stack 30. The large diameter portion of the disc 31 not only fixes the disc 31 to the housing 38 by, for example, a screw, a bolt, or a clamp, but can also collectively energize the disc 31, the stacked newtrode 20, and the end piece 33. it can. It is advantageous to have sufficient bias to properly seal the sealing material 320 against the opposing surfaces of adjacent neutrodes to obtain the desired water seal structure. Of course, depending on the implementation, the neutrode stack 30 may have more or less optimized neutrodes of FIG. The Neutrode stack housing 38 can also have similar cooling channels within or on its outer periphery.

図５は、別の好適な具体例によるニュートロード５０を示す。この具体例においては、ニュートロード５０は、その外周部５６内および外周部５６の周囲に形成された８個の平坦状冷却流路５２を有する。非限定的な例として説明すると、ニュートロード５０の外周部５６に形成された平坦状流路５２は、幅０．２００インチ（５．０８ｍｍ）×深さ０．０２２５インチ（０．５７２ｍｍ）の寸法であり、全面積は０．０３２平方インチ（２０．６５ｍｍ2）となる。例えば毎分９リットルの水の流量で稼働させた場合、流路を流れる水の平均流速は６．４ｍ/秒となる。また、形成される冷却流路の寸法や形状は、目的とする冷却効果を達成するために具体例によって変更されことが理解され、流路を流れる水の平均流速は８．０ｍ/秒未満となることが理解される。しかし、上記のとおり、これらの流路の数値は例示のためのものであり、冷却流路の数と大きさは、ガンに損傷を与えるレベルの温度を回避するために必要な水の流量によって変わる。 FIG. 5 shows a neutrode 50 according to another preferred embodiment. In this example, the Neutrode 50 has eight flat cooling channels 52 formed in and around the outer periphery 56 thereof. As a non-limiting example, the flat channel 52 formed in the outer periphery 56 of the Neutrode 50 has a width of 0.200 inches (5.08 mm) x a depth of 0.0225 inches (0.572 mm). The dimensions are such that the total area is 0.032 square inches (20.65 mm 2 ). For example, when operated at a flow rate of water of 9 liters per minute, the average flow velocity of water flowing through the flow path is 6.4 m / sec. Further, it is understood that the size and shape of the formed cooling channel are changed according to the specific example in order to achieve the desired cooling effect, and the average flow velocity of water flowing through the channel is less than 8.0 m / sec. It is understood that However, as noted above, the numbers in these channels are for illustration only, and the number and size of cooling channels depend on the flow rate of water required to avoid damaging levels of temperature. change.

具体例によれば、ニュートロードスタックは、例えば図２Ａ及び図５に示すように、最適化された各ニュートロードの外周に配置された水冷流路を備えることができる。流路の断面積は、水の流速を大きくできるように設計でき、例えば１．０ｍ/秒超、好ましくは２．０ｍ/秒超、より好ましくは３．０ｍ/秒超である。しかし、水流速は８．０ｍ/秒未満とする。各流路は、ニュートロード２０の最外周部において冷却水流量を最大化するために、図２Ａ〜図２Ｅに示すような略正方形の形状から図５に示すような細長く平坦な形状まで、様々な形状に形成することができる。また、流路は、各ニュートロードの外周部において冷却水流量を最大化するために、三角形状の断面を有するように形成して配置してもよい。冷却流路の数、大きさ及び形状は、ガンに損傷を与えるレベルの温度を回避するために必要な水の流量によって変わる。この設計においては、ニュートロードスタックにおけるニュートロードの総数や、ニュートロードスタックにおける各ニュートロードの厚さに関しての制限はない。実際のところ、本発明の具体例による最適化されたニュートロードを用いることで、冷却による熱損失を制限して、ニュートロードスタックを長くすることができる。   According to a specific example, the neutrode stack may include water cooling channels disposed around the outer periphery of each optimized neutrode, for example, as shown in FIGS. 2A and 5. The cross-sectional area of the flow channel can be designed so that the flow velocity of water can be increased, and is, for example, more than 1.0 m / sec, preferably more than 2.0 m / sec, more preferably more than 3.0 m / sec. However, the water velocity should be less than 8.0 m / sec. Each flow path has a variety of shapes from a substantially square shape as shown in FIGS. 2A to 2E to an elongated flat shape as shown in FIG. 5 in order to maximize the cooling water flow rate in the outermost peripheral portion of the neutrode 20. It can be formed in various shapes. Further, the flow passage may be formed and arranged so as to have a triangular cross section in order to maximize the flow rate of the cooling water in the outer peripheral portion of each neutrode. The number, size and shape of the cooling passages will depend on the flow rate of water required to avoid damaging levels of temperature. In this design, there is no limit on the total number of new trodes in the new trode stack or the thickness of each new trode in the new trode stack. In fact, with the optimized neutrode according to embodiments of the present invention, heat loss due to cooling can be limited to lengthen the neutrode stack.

なお、具体例は、上記の具体的な冷却流路の底辺対深さの比に限定されるものではない。冷却流路の底辺対深さの比は、最大で１：１として高く延びた半円状の断面から略正方形の断面の冷却流路まで形成でき、あるいは８：１よりも大きくしてより平坦な断面を形成してもよく、または１：１から８：１までの範囲のいずれの比率に設定してもよい。したがって、底辺対深さの比は、２：１、３：１、４：１、５：１、６：１、７：１、またはこれらの間のいずれの比率であってもよいし、それらに限定されない。   The specific example is not limited to the specific bottom-to-depth ratio of the cooling channel described above. The bottom-to-depth ratio of the cooling channel can be as high as 1: 1 up to a semi-circular section that extends high to a cooling channel with a substantially square section, or it can be made larger than 8: 1 to be flatter. The cross section may be formed, or may be set to any ratio in the range of 1: 1 to 8: 1. Thus, the base to depth ratio may be 2: 1, 3: 1, 4: 1, 5: 1, 6: 1, 7: 1, or any ratio in between, and Not limited to.

複数のニュートロード５０によって構成されたニュートロードスタックを備えたプラズマガンにおいては、既知のＣＦＤ（数値流体力学）ソフトウェアでプラズマガン内の水の流れを算出すると、毎分８．１リットルの流量の場合、ニュートロードスタック内の平均の流速は３．２ｍ/秒を超えることが分かった。   In a plasma gun having a Neutrode stack composed of a plurality of Neutrode 50, the flow of water in the plasma gun is calculated by a known CFD (Computational Fluid Dynamics) software, and a flow rate of 8.1 liters per minute is obtained. In the case, the average flow velocity in the Neutrode stack was found to exceed 3.2 m / sec.

図３に示すニュートロードスタック３０を用いて構成したシングルアーク・カスケード型プラズマガンを、全体として同様な設計の従来のプラズマガンと比較試験を行なった。後者は、水冷フィンまたは水冷流路を利用してプラズマノズルを冷却する長いノズルを有していた。試験結果によれば、本発明の具体例によるニュートロードスタック３０を使用したガンは、従来の方法で冷却されたノズルよりも、熱効率が１０％増加した。別の試験では、従来のニュートロードスタックをプラズマガンに備えると６％〜１０％の熱効率の減少が見られた。更に別のテストでは、プラズマガンの従来のニュートロードスタックの長さを２倍にすると熱効率が２０％減少した一方で、最適化されたニュートロード２０を加えてニュートロードスタック３０の長さを大きくすると熱効率の減少が大幅に抑えられた。後者による熱効率の減少は、従来のニュートロードスタックによる熱効率の減少の約２分の１未満であった。さらに、ニュートロードスタック３０の耐久テストでは、同スタックを２００時間以上使い続けた後でも熱的悪影響は見られなかった。   A single arc cascade type plasma gun configured using the Neutrode stack 30 shown in FIG. 3 was subjected to a comparative test with a conventional plasma gun of the same design as a whole. The latter had long nozzles that used water cooled fins or water cooled channels to cool the plasma nozzle. Test results have shown that guns using the Neutrode stack 30 according to embodiments of the present invention have a 10% increase in thermal efficiency over conventionally cooled nozzles. Another test showed a 6% to 10% reduction in thermal efficiency with a conventional Neutrode stack in a plasma gun. In yet another test, doubling the length of a plasma gun conventional neutrode stack reduced thermal efficiency by 20% while adding optimized neutrode 20 to increase the length of neutrode stack 30. Then, the decrease in thermal efficiency was greatly suppressed. The latter reduced thermal efficiency by less than about one-half that of conventional Neutrode stacks. Furthermore, in the durability test of the New Road stack 30, no thermal adverse effect was observed even after the stack was used for 200 hours or more.

なお、これまで挙げた例は単に説明のためのものであり、本発明を限定するものとして解釈されるべきではない。本発明を好適な具体例に基づいて説明したが、本明細書で用いた文言は説明のためのものであり、限定するためのものではない。本発明の態様においては、現在記載されている添付の特許請求の範囲内で、または補正があれば補正後の特許請求の範囲内で、本発明の範囲や原理から逸脱することなく変更が可能である。また、本発明を特定の手段、材料及び具体例とともに説明したが、本発明はここで開示した詳細事項に限定されない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲内にあるもののような、全ての機能上同等な構造、方法及び使用を包含する。   It should be noted that the examples given so far are for illustration only and should not be construed as limiting the invention. Although the invention has been described with reference to preferred embodiments, the language used herein is for the purpose of description and not limitation. Changes may be made, within the scope of the invention, to the appended claims presently stated or, if amended, within the amended claims without departing from the scope or principles of the invention. Is. Also, while the present invention has been described with particular means, materials and embodiments, the present invention is not limited to the details disclosed herein. Rather, the invention includes all functionally equivalent structures, methods and uses, such as those within the scope of the appended claims.

Claims (21)

プラズマガンのニュートロードであって、
外周面と内孔とを有する円板形状の本体と、
前記外周面に開いた凹部として前記円板形状の本体に形成された複数の冷却流路と
を備える、ニュートロード。 The plasma gun New Road,
A disk-shaped main body having an outer peripheral surface and an inner hole,
A neutrode, comprising: a plurality of cooling passages formed in the disc-shaped body as recesses opened in the outer peripheral surface. 前記複数の冷却流路が正方形である、請求項１に記載されたニュートロード。   The neutrode of claim 1, wherein the plurality of cooling channels are square. 前記複数の冷却流路が、幅が深さの８倍よりも大きい平坦状断面を有する、請求項１に記載されたニュートロード。   The neutrode of claim 1, wherein the plurality of cooling channels have a flat cross section with a width greater than eight times the depth. 前記複数の冷却流路が、前記外周面から下方に延びる深さと、前記深さに対して垂直な底辺によって画定され、前記複数の冷却流路に対する底辺対深さの比が、１：１から８：１までの範囲にある、請求項１に記載されたニュートロード。   The plurality of cooling channels are defined by a depth extending downward from the outer peripheral surface and a bottom side perpendicular to the depth, and a bottom-to-depth ratio for the plurality of cooling channels is from 1: 1. The neutrode according to claim 1, which is in the range of up to 8: 1. 前記複数の冷却流路を流れる水の平均流速が、８．０ｍ/秒未満であり、かつ１．０ｍ/秒超、２．０ｍ/秒超および３．０ｍ/秒超のうちのいずれかであるように前記複数の冷却流路が構成されている、請求項１に記載されたニュートロード。   The average flow velocity of water flowing through the plurality of cooling channels is less than 8.0 m / sec, and is more than 1.0 m / sec, 2.0 m / sec and 3.0 m / sec. The neutrode of claim 1, wherein the plurality of cooling flow paths are configured in a manner. 請求項１に記載されたニュートロードを複数有するニュートロードスタックを備える、プラズマガン。   A plasma gun comprising a neutrode stack having a plurality of neutrodes according to claim 1. 前記ニュートロードスタックにおける隣接するニュートロード同士が電気的に絶縁されている、請求項６に記載されたプラズマガン。   The plasma gun according to claim 6, wherein adjacent neutrodes in the neutrode stack are electrically insulated from each other. 前記隣接するニュートロード同士の間に配置された絶縁層をさらに備える、請求項７に記載されたプラズマガン。   The plasma gun according to claim 7, further comprising an insulating layer disposed between the adjacent Neutrodes. 前記隣接するニュートロード同士の間に配置された遮水体を形成するシール層をさらに備える、請求項７に記載されたプラズマガン。   The plasma gun according to claim 7, further comprising a seal layer that forms a water shield disposed between the adjacent new trodes. 前記隣接するニュートロード同士の間に形成された気体間隙をさらに備える、請求項７に記載されたプラズマガン。   The plasma gun according to claim 7, further comprising a gas gap formed between the adjacent neutrodes. 前記複数のニュートロードの各々が同数の冷却流路を有し、前記冷却流路が軸線方向に並ぶように前記複数のニュートロードが配置されている、請求項７に記載されたプラズマガン。   The plasma gun according to claim 7, wherein each of the plurality of neutrodes has the same number of cooling passages, and the plurality of neutrodes are arranged so that the cooling passages are arranged in the axial direction. 前記隣接するニュートロード同士の間に形成された周方向冷却流路をさらに備える、請求項１１に記載されたプラズマガン。   The plasma gun according to claim 11, further comprising a circumferential cooling flow path formed between the adjacent neutrodes. 前記複数のニュートロードが、互いに物理的に離間しながら、物理的な力で互いに締め付けられている、請求項６に記載されたプラズマガン。   The plasma gun according to claim 6, wherein the plurality of neutrodes are physically separated from each other and clamped to each other by a physical force. プラズマガンのニュートロードを形成する方法であって、内孔を有する円板形状の本体の外周面に開いた複数の水冷流路を形成するステップを含む、方法。   A method of forming a neutrode for a plasma gun, comprising the step of forming a plurality of water-cooled channels open to an outer peripheral surface of a disk-shaped body having an inner bore. 前記複数の水冷流路を流れる水の平均流速が、８．０ｍ/秒未満で、かつ１．０ｍ/秒超、２．０ｍ/秒超および３．０ｍ/秒超のうちのいずれかであるように前記複数の水冷流路を構成する、請求項１４に記載された方法。   The average flow velocity of water flowing through the plurality of water cooling channels is less than 8.0 m / sec, and is any of 1.0 m / sec, 2.0 m / sec and 3.0 m / sec. 15. The method of claim 14, wherein the plurality of water cooling channels are configured. 内孔を有する少なくとも１つの他の円板形状の本体の外周面内または外周面上に複数の水冷流路を形成するステップと、
前記円板形状の本体と前記少なくとも１つの他の円板形状の本体とを、前記内孔に沿って同軸上に並べるステップとをさらに含む、請求項１４に記載された方法。 Forming a plurality of water cooling channels in or on the outer peripheral surface of at least one other disk-shaped body having an inner hole;
15. The method of claim 14, further comprising coaxially aligning the disc-shaped body and the at least one other disc-shaped body along the bore. 前記円板形状の本体と、隣接する前記少なくとも１つの他の円板形状の本体とを電気的に絶縁するステップをさらに含む、請求項１６に記載された方法。   17. The method of claim 16, further comprising electrically insulating the disc-shaped body and the adjacent at least one other disc-shaped body. 前記円板形状の本体と、隣接する前記少なくとも１つの他の円板形状の本体とを、絶縁層、気体間隙およびシール部材のうちの少なくとも１つによって分離する、請求項１７に記載された方法。   18. The method of claim 17, wherein the disc-shaped body and the adjacent at least one other disc-shaped body are separated by at least one of an insulating layer, a gas gap and a sealing member. . 前記円板形状の本体と前記少なくとも１つの他の円板形状の本体のそれぞれが、同数の水冷流路を有しており、前記円板形状の本体と前記少なくとも１つの他の円板形状の本体を同軸上に並べ、前記円板形状の本体の前記水冷流路と前記少なくとも１つの他の円板形状の本体の前記水冷流路とを軸線方向に並べるステップをさらに含む、請求項１６に記載された方法。   Each of the disc-shaped main body and the at least one other disc-shaped main body has the same number of water cooling flow paths, and the disc-shaped main body and the at least one other disc-shaped main body 17. The method according to claim 16, further comprising arranging the main bodies coaxially, and arranging the water cooling channels of the disc-shaped body and the water cooling channels of the at least one other disc-shaped body in the axial direction. The method described. 同軸上に並べられた前記円板形状の本体と前記少なくとも１つの他の円板形状の本体とを一緒に締め付け、前記プラズマガンのニュートロードスタックを形成するステップをさらに含む、請求項１６に記載された方法。   17. The method of claim 16, further comprising the step of clamping together the disk-shaped bodies coaxially aligned with the at least one other disk-shaped body to form a neutrode stack of the plasma gun. How was done. 請求項１に記載されたニュートロードを複数有するカスケード型プラズマガンを形成する方法であって、
前記複数のニュートロードを並べて、隣接するニュートロード同士を電気的に絶縁してニュートロードスタックを形成するステップと、
前記ニュートロードスタックの軸線方向に締め付け力をかけて、前記ニュートロードスタックを前記カスケード型プラズマガン内に配置するステップと
を含む、方法。 A method of forming a cascaded plasma gun having a plurality of neutrodes according to claim 1, comprising:
Arranging the plurality of neutrodes to electrically insulate adjacent neutrodes to form a neutrode stack;
Applying an axial clamping force to the neutrode stack to position the neutrode stack within the cascade plasma gun.
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